超寬量程氣體流量測量方案的討論

[摘 要] 節流裝置在工業生產流量測量中占據主要的地位，但傳統節流裝置量程比較窄，一般為3：1，在石化、石油、化工、冶金等行業的通用氣體（如氧氣、氮氣、空氣等）流量計量中限制了其應用。本文分析了節流裝置量程窄的原因，并提出了采用現代計算機軟件技術，實現節流裝置測量氣體流量量程比達到20：1 的實用方案。

1 前言
目前流量測量主要采用的還是標準節流裝置這一傳統的測量手段，但是常規的孔板流量計在流量測量方面還有很多不足，主要體現在測量范圍小、壓損大，現場安裝、維護復雜、檢定周期短等方面。尤其是測量范圍小的缺點，在流量變化大的情況下計量誤差大大增加，使供氣企業受到經濟損失。目前，通過現代技術手段，可以很好地解決這些問題，下面分析節流裝置量程窄的原因，并提出了一套采用現代計算機軟件技術，實現節流裝置10：1 寬量程以及20：1 以上的超寬量程流量測量的實用方案。
2 節流裝置寬量程問題
我們都知道，雖然引起孔板流量計誤差因素很多，諸如直管段條件、安裝條件等都可通過設計與施工予以保證。一般儀表的準確度都是用測量范圍內相對誤差表示。因此當測量值越接近滿度值，其準確度越高。但實際的流量范圍往往無法準確確定，在流量變化大的情況下，使流量計長時間工作在測量范圍以外，這樣就造成了很大的測量誤差。對節流件流出系數C、可膨脹性系數ε等中間參數的實時計算是解決寬量程的關鍵。
節流式流量計流量計算公式為：

其中：按GB/T2624-2006 標準孔板流出系數C 的計算式為：

式中：κ ：等熵指數
P1P2：分別節流件前后的壓力，Pa
傳統的節流式流量計是將流出系數C 和可膨脹性系數ε視為定值（C 和ε由專門的節流裝置設計計算軟件計算得到），置入現場的流量積算儀。圖1 是一臺孔板流出系數曲線。

由式（2）可以看流出系數C 的計算很復雜。相關標準給出了計算流出系數C 的迭代方法，所以流量積算儀表必須具有高速、高精度的運算功能和比較大的存貯空間，以完成這些復雜的中間參數的補償運算。
智能化寬量程的差壓變送器和補償功能更為完善的流量計算機的問世，使我們能擁有寬量程的智能化節流式流量計成為可能。歸納起來它應具備這些條件：1.智能化的寬量程差壓變送器（差壓范圍為100：1）。2. 流量計算機不僅可根據溫度、壓力等工況參數對工況流量進行修正，還可以實時計算流出系數C、可膨脹性系數ε等。3. 差壓變送器與流量計算機之間數字通訊（Hart 協議）除能滿足全量程差壓信號傳遞的準確性，而且能夠自動遷移測量范圍。
符合上述條件的寬量程智能化差壓式流量計，在滿足準確度同時，流量測量范圍可真正達到10：1（或更寬），節流式流量計的這一飛躍是多項技術進步的成果，它改變著人們對節流式流量計的傳統認識。
3 配有雙差變的超寬量程節流式流量計
采用智能化寬量程的差壓變送器雖然可以大大提高節流式流量計的量程比，但是由于目前的差
壓變送器的量程比只能達到100：1，與之成開方關系的流量就只能達到10：1 左右。因此，當流量
變化范圍超出10：1 僅僅使用一臺差壓變送器就無法滿足使用需要了。給同一節流裝置配備兩臺差壓
變送器可以使節流式流量計的量程比達到20：1 甚至更高。

4 流量計算機（或流量計算轉換單元）
僅僅給同一節流裝置配備兩臺差壓變送器要想達到20：1 的流量測量范圍還是不夠的，要實現節流裝置的超寬量程流量測量還必須使用能對節流件的流出系數C、流束可膨脹系數ε、壓縮系數Z等參數作為動態量進行實時逐點運算，并且能夠自動在兩個差壓信號間進行無逢切換的流量二次儀表，例如流量計算機和具有類似功能的流量計算轉換單元。
流量計算轉換單元是一款全新概念網絡化流量計量設備，采用DIN35 標準導軌安裝方式，可方便地實現在DCS、PLC 系統中植入高精度流量計算環節。其通過對現場信號的采集，根據標準公式對節流式流量計的流出系數C、流束可膨脹系數ε、壓縮系數Z 等參數進行實時逐點運算以實現寬量程，所使用的流量計算軟件已通過國家部門認證。除此以外，還具備多路4-20mA 全隔離信號輸出功能，包括補償溫度輸出、補償壓力輸出、補償流量輸出、繼電器輸出等。具有RS232/485、以太網等通訊接口，可采用MODBUS、TCP/IP 協議進行網絡通訊。
將節流裝置和兩個智能差壓變送器做成一體，兩個差壓變送器的信號與流量計算機（或流量計算轉換單元）連接，流量計算機（或流量計算轉換單元）可以根據設置自動在兩個差壓信號間進行無縫切換，同時完成節流件的流出系數C、流束可膨脹系數ε、壓縮系數Z 等參數的實時逐點運算，使整個系統的測量量程比可達20：1。
當用戶使用雙差變流量計算機（或流量計算轉換單元）時，只需要在參數中設置以下參數：

（1） 差變切換有 禁止 和 允許 兩個選項，當設為 禁止 時則不進行差變切換始終使用高量段（或低量段）差壓變送器的輸出，設為允許 時則可以根據切換設定值進行實時切換。
（2） 切換設定值Pa 高低量段差壓變送器進行切換時的差壓值。當高量段差壓變送器輸出值低于切換設定值時，切換到低量段差壓變送器的輸出進行流量計算；當低量段差壓變送器輸出值高于切換設定值時，切換到高量段差壓變送器的輸出進行流量計算。
5 節流元件的選擇
節流元件有多種形式，Z為人們所熟知的莫過于孔板了。但孔板有一個明顯缺點是入口直角銳利度在流體沖刷下易發生鈍化，在孔板連續使用2—3 個月時，鈍化引起流出系數偏度在1—3%，個別嚴重的在4%以上。采用標準噴嘴可以很好地解決這一問題。噴嘴的入口為光滑曲面，不易磨損，它的流出系數非常穩定，所以JJG640-94 規程規定ISA1932 噴嘴的檢定周期為4 年（孔板檢定周期是1 年）。再者，噴嘴在相同流量和相同β值條件下，阻力損失比孔板小得多（僅為孔板的50-60%），有利于減小能耗。
近年來，各種各樣的非標準差壓式流量計依其各自的特點，在流量測量方面進行了積極的探索。但是它們還缺少足夠的應用實踐，特別是由于它們不能像標準節流件一樣，有成熟且通行的、國家標準支持，非標準節流件的流出系數、流束可膨脹性系數都必須通過實流標定獲得（所謂實流標定一般是指在沒有標準明確規定的情況下，被測介質和實驗介質應為同一介質）。否則，容易產生貿易計量糾紛。
6 結束語
目前，由標準節流裝置和流量計算機構成的流量測量系統，將經典技術與現代計算機技術相結合，克服了傳統節流式流量計量程小的主要缺點。實踐表明該通過二次儀表的軟件技術，對節流裝置的特性參數采取實時動態真實計算可以大大提高節流式流量計的量程范圍，采用雙差壓變送器的結構測量氮氣流量可以達到20：1 的超寬量程，使節流式流量計這一經典而傳統的流量儀表得到更廣泛的應用。